金属基特殊浸润性表面薄膜材料的制备及性能研究

发布时间：2020-05-12 01:08

【摘要】：受自然界“荷叶效应”和“玫瑰花效应”的启发,研究者们对超疏水表面表现出极大的兴趣,它们在自清洁、抗结冰结霜、防腐蚀等领域有着广泛的应用前景。随着研究的不断深入,目前已经探索出了许多制备超疏水表面的方法。但由于外界环境的复杂多变,制备仅仅排斥水滴的超疏水表面已不能满足现实的需要。因此,制备出既排斥水滴又排斥油滴的超疏水超疏油表面,或者既排斥水滴同时油又能瞬间浸润的超疏水超亲油表面等具有多液滴特殊浸润性的表面可以极大地扩大其应用范围。本文在详细分析特殊润湿性表面制备技术发展现状的基础上,采用电沉积法在铝基体上制备超疏水超疏油表面薄膜材料,操作简单且实用性强。此外,研发出了一种一步电沉积制备超疏水超亲油不锈钢网膜的新方法,并且制备的超疏水超亲油不锈钢网具有较高化学稳定性和较强的机械持久性。主要研究工作内容和取得的研究成果如下:(1)运用电沉积法在铝基体上构筑微纳米复合结构以及经十三氟辛基三乙氧基硅烷(氟硅烷)乙醇溶液修饰制备出超疏水超疏油双功能薄膜材料。调节实验参数,结果表明,采用0.0625mol/L硫酸铜、0.0625mol/L硫酸镍为电解液,在0.04A/cm~2的电流密度下电沉积15min所制备薄膜材料表面生长出似叶片状的特殊微纳米复合结构。并且由1wt%氟硅烷乙醇溶液修饰1h后的薄膜表面对水和润滑油接触角均高于150°,展示出超双疏性。同时,对所制备的薄膜的稳定性进行测试,结果显示,所制备薄膜具有良好的耐腐蚀性能与长期稳定性能,并对多种油类有疏油性。(2)采用一步电沉积在不锈钢网基体上制备出超疏水超亲油薄膜材料,通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS),傅里叶变换红外光谱(FTIR)、光学接触角测量仪分别对制备的网膜表面的微观形貌、元素组成和润湿性等进行了分析。结果表明,所制备的不锈钢网表面表现出优异的超疏水性和超亲油性,水的接触角(WCA)为162±1°,油可以瞬间浸润表面,油的接触角(OCA)几乎为0°。同时,对网膜分油水离性能和耐久性进行测试。结果显示,所制备的网膜能连续分离多种油水混合物,对润滑油和水的混合物分离效率最高,约为98.6%。此外,制备的网膜拥有优异的化学稳定性和机械持久性。经多次重复使用后,所制备的网膜也仍然具有超疏水性,WCA为155±2°,OCA为0°,仍保持着较高的油水分离效率。
【图文】：

荷叶,水黾,照片,接触角

2性表面制备具有一定的挑战和意义。图1 荷叶、水稻叶和水黾的照片及其表面的SEM图：(a) 荷叶[1](b) 水稻叶[2](c) 水黾[5]Fig.1 Optical and SEM images for the surfaces of lotus leaf and rice leaf and water strider: (a) lotusleaf[1](b) rice leaf[2](c) water strider[5]1.2 固体表面特殊浸润性的基本理论1.2.1 接触角与润湿性分类浸润（Wetting）是指固体和液体相互接触时，液体在固体表面铺展或者渗透进入固体内部的现象。液体接触固体表面的时候，它的界面行为受固液表面粘附力控制。当粘附力使液滴在表面铺展，这种表面称为亲液表面；当粘附力显示排斥作用使液滴在表面保持球状，这种表面称为疏液表面。为了定量的描述亲液和疏液的程度，人们引入了接触角的概念。将接触角（ContactAngle, CA）定义为当一滴液滴静置在水平光滑固体表面时，固液表面与气液表面在三相交汇处切平面的夹角，也称为静态接触角和本征接触角，如图 2 所示[42]。当接触角在 0°至 90°

示意图,接触角,示意图,接触角滞后

称之为超亲液表面。当接触角大于 150°时，固体表面很难浸润，称之为超疏液表面。图2 接触角示意图[42]Fig.2 Scheme of contact angle[42]1.2.2 滚动接触角及接触角滞后对于具有特殊浸润性的表面，除了接触角外，还需要引入另外两个参数进一步描述其润湿性质，即滚动角和接触角滞后。当一定大小的液滴滴落在固体表面时，慢慢的倾斜固体表面，液滴刚好滚动时候的最小倾斜角度为滚动角（Slidingangle, SA）[43]。同时，，如图 3 所示，液滴刚好滚动的时候有一个前进接触角和一个后退接触角，二者之差则是接触角滞后[44, 45]。并且固体表面的接触角滞后和滚动角之间的关系可以用以下公式(1)来描述[46]:mg(sinα)/w=γlv(cosθrca cosθadv) (1)其中，m 为液滴质量
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

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